v.1.1

1. История представлений о Вселенной

Астрономия никогда не дружила с космологией.

Ночное безоблачное небо видится человеку так, будто он находится под гигантским полусферическим колпаком, усеянном неземными сокровищами. В древнейших космологиях небо представлялось куполом или выпуклой крышей. Эта иллюзия сохранялась и у древнегреческих ученых, которые понимали или допускали шарообразность Земли, например, у Пифагора в VI в.до н.э., только в этом случае купол менялся на сферу. Считается, что греки представляли себе причину движения усыпанной звездами сферы в находящимся за ней божественном двигателе, и ее вращение механически передавалось меньшим прозрачным сферам с планетами, Луной и Солнцем. Древнегреческие ученые знали, что Солнце во много раз больше Земли, они располагали достаточными наблюдательными данными, чтобы понять, что гелиоцентрическая система более удобна для расчетов, но тем не менее предпочитали помещать Землю в центр Вселенной. В IV в. до н.э. Евдокс все видимое движение небесных тел свел к равномерному вращению вокруг Земли 27 хрустальных сфер, при этом на каждую из пяти (известных тогда) планет приходилась система из четырех сфер, а на Солнце и Луну - из трех. Веком позже количество сфер уточнил Аристотель, доведя его до 55. Аристотель и его сторонники считали сферы материальными объектами. Планеты - "блуждающие звезды" - периодически меняют свой блеск, то приближаясь к Земле, то удаляясь от нее, а Марс, Юпитер и Сатурн к тому же (когда Земля обгоняет их в своем орбитальном движении) описывают в небе петли (на рис. справа показано движение Марса). Чтобы объяснить эти явления, гениальный греческий математик Аполлоний Пергский (II в. до н.э.) придумал геометрическую конструкцию: Земля находится в центре окружности (деферента), по которой равномерно движется центр другой окружности (эпицикла), по которой в свою очередь движется планета. В случае равенства периодов обращения деферента и эпицикла планета движется вокруг Земли по результирующей окружности, называемой эксцентром. Если эпицикл вращается быстрее, планета периодически выписывает петли. Следует отметить, что Аполлоний не преследовал цель объяснить физическую природу этих движений, он придумал лишь математическую модель, описывающую данные наблюдений.

Аристотель, как считается, создал первую научную (физическую) картину мира. Ее основой было учение о центральном положении тяжелой неподвижной сферической Земли, которую составляли три элемента: земля, вода, воздух и огонь (невольно напрашивается аналогия с четырьмя агрегатными состояниями вещества: твердым, жидким, газообразным и плазмой). Звезды, планеты и Солнце состояли из идеального вещества - эфира. Если на Земле, где господствовали четыре вульгарных элемента, все постоянно менялось, то на небе эфирные тела находились в вечном неизменном состоянии: равномерном круговом движении. Луна занимала промежуточное положение, а сфера, на которой она закреплена, служила границей между мирами. Каждому телу от природы было присуще два свойства: стремление к центру Земли (гравитация) и стремление от центра (левитация). Аристотель считал, что пустоты не существует, так же, как и других бесполезных вещей.

По-моему, наука в те времена основывалась на очевидных суждениях и обыденной логике (здравом смысле), а явления природы приводились в доказательство лишь там, где подходили для этой цели. В "Естественной истории" Гая Плиния Старшего (I в.н.э.) можно прочитать, например, следующее: "Земля находится в центре Вселенной, что подтверждается весьма основательными доказательствами, но главным образом равенством дня и ночи в дни равноденствия; ведь если бы Земля не была в центре, то дни не могли бы быть равными ночам. Это доказывается также при помощи диоптров и лучше всего тогда, когда во время равноденствия на одной и той же линии наблюдаются восход и заход; восход Солнца в день летнего солнцестояния находится на той же линии, что и заход в день зимнего солнцестояния. Это никоим образом не могло бы быть, если бы Земля не находилась в центре мира."

Греческий математик Клавдий Птолемей во II веке разработал, как говорят, феноменально точную для своего времени геоцентрическую модель Вселенной. Он пользовался звездными каталогами предшественников и собственными (довольно скромными) наблюдениями. Птолемей посчитал, что равномерное движение эпициклов по деферентам, имеющим центр, совпадающий с центром Земли (как у Аполлония), не объясняет наблюдаемое движение планет. Перебрав, очевидно, множество геометрических схем, он в итоге сместил центр каждой планетарной сферы, вынеся его за пределы Земли, таким образом, что по одну сторону от центра находилась Земля, а по другую, на том же расстоянии, воображаемая точка, из которой наблюдалось бы равномерное движение планеты. Эта точка называлась у него эквантом. Сами же сферы уже не совершали равномерного вращения, что впоследствие считалось слабым местом у Птолемея и подвергалось критике. Сам Птолемей был прекрасно осведомлен о гелиоцентрической системе (известной по меньшей мере с III в. до н.э.), более того, для расчета таблиц движения планет он часто использовал уравнения, которые можно вывести только из гелиоцентрической системы. Но в его время эта система считалась абсурдной с точки зрения (аристотелевской) физики. Тогда полагали, что если бы Земля двигалась вокруг Солнца, то взаимное расположение звезд на небесной сфере должно было бы меняться (наблюдался бы параллакс). Но его никому не удавалось наблюдать. Птолемей отрицал даже осевое вращение Земли, ибо, по его мнению, при вращении Земли центробежная сила должна выталкивать предметы в пространство. Он использовал и другие аргументы аристотелевских физиков: стрела, пущенная их лука точно вверх, возвращается к ногам стрелка, а камень, брошенный с вершины башни, падает к ее основанию, тогда как если бы Земля вращалась, стрела и камень должны были бы существенно сместиться к западу. Короче говоря, движение Земли считалось не научным. Система Птолемея была очень удачной версией геоцентрической Вселенной и, главное, он построил соответствующую наблюдательным данным математическую модель, несколько столетий с успехом применявшуюся в астрономических расчетах (многие ее элементы применяются и по сей день). Первые рукописи "Альмагеста" Клавдия Птолемея появились в Европе (в Ватикане) из Византии во второй половине XV века, а первое европейское издание (в переводе Георга Пурбаха и Иоганна Мюллера) вышло в Венеции в 1496 г.

Диаметр Вселенной по Птолемею выражался в относительных единицах и составлял 9 расстояний от Земли до Солнца (астрономических единиц - а.е.). Это расстояние, в свою очередь, Птолемей приблизительно оценивал в 1200 радиусов Земли. Таким образом, если принять радиус Земли равным современному значению, то получится около 70 млн. км - меньше диаметра орбиты Меркурия. В XVI веке Николай Кузанский написал несколько философских трактатов, в которых отрицал существование неподвижного центра Вселенной, утверждал, что она бесконечна и что небесные тела и Земля созданы из одной материи. Но такие работы не подтверждались данными тогдашней науки. Мир заканчивался непреодолимой преградой - сферой неподвижных звезд. Интересно, что применительно к пустоте понятие "бесконечность", очевидно, никого не смущало, во всяком случае некоторые авторы полагали, что за сферой звезд находится бесконечное пустое пространство. Примерно так же думал и сторонник аристотелевской физики Николай Коперник (в первой половине XVI века), полагая, что последняя сфера находится очень высоко (сейчас бы сказали, сильно удалена от Земли). Из-за этого допущения Коперник не мог сказать ничего конкретного об абсолютных размерах Вселенной, его теория также называла лишь относительные расстояния между планетами. По сегодняшним научным меркам гелиоцентрическая теория Коперника была чистой воды спекуляцией, призванной спасти постулат о равномерных круговых движениях, а точность составленных по ней астрономических таблиц была ниже, чем у Птолемея. Первый вариант работы с изложением гелиоцентрической системы Коперник закончил в 1515 г. Он использовал "Альмагест" в качестве своеобразного шаблона, порой полностью переписывая из него целые куски. Возможно, Коперник первоначально хотел написать переработанный вариант "Альмагеста", некий "Новый Альмагест", что было вполне в духе того времени (во вступлени к своей книге он осторожно писал: "Действительно, хотя Клавдий Птолемей Александрийский, стоящий впереди других по своему удивительному хитроумию и тщательности, после более чем сорокалетних наблюдений завершил созидание всей этой науки почти до такой степени, что, как кажется, ничего не осталось, чего он не достиг бы, мы все-таки видим, что многое не согласуется с тем, что должно было бы вытекать из его положений; кроме того, открыты некоторые иные движения, ему неизвестные".). Пытаясь вернуть небесным телам идеальные круговые движения, Коперник рассматривает в качестве неподвижного центра Вселенной центр сферы, к которой прикреплена Земля (а вовсе не центр Солнца), а для того, чтобы объяснить отсутствие звездного параллакса, он "отодвигает" сферу неподвижных звезд почти в бесконечность. Земля в системе Коперника имела три равномерных движения: вокруг собственной оси, вокруг Солнца и так называемое движение по склонению (последнее - чтобы объяснить постоянное положение полюса мира на небесной сфере). Мало кто знает, что для описания движения других планет Коперник использовал эпициклы (а для Луны даже два эпицикла).

Существует распространенное мнение, будто богословы упорно держались за геоцентрическую систему Птолемея, полагая ее более подходящей для христианского учения, и что гелиоцентрическая система долгое время считалась ересью и ученые - ее сторонники преследовались. Это не совсем верно. Преследовались члены тайных оккультных обществ (например, герметисты), которые взяли гелиоцентрическую систему в качестве одного из краеугольных камней своего религиозно-политического учения о переустройстве мира. Причем взята была не сама гелиоцентрическая система, а лишь некоторые общие ее положения или выводы, вроде того, что Земля не является центром Вселенной, или что сфера неподвижных звезд находится очень далеко и, следовательно, размеры Земли очень малы по сравнению со всей Вселеной. Джордано Бруно был одним из теоретиков герметизма (из его классической работы "La Cena..." следует, что он даже не понимал учения Коперника), заговорщиком и революционером, за что его, собственно, и казнили в 1600 г. Другой известный "политический коперникианец" - монах Томмазо Кампанелла, автор знаменитой утопии "Город Солнца", имел славу колдуна и был главой бунтовщиков. Из-за экстремистской окраски систему Коперника с 1616 г. запрещалось преподавать в некоторых европейских университетах. Далекий от политики Галилео Галилей пострадал (на старости лет) от этих политических разборок. А политизация научных работ и преследования по этой причине ученых имеют место и сегодня.

В 1605 году Иоганн Кеплер на основе анализа точнейших 15 летних наблюдений Марса, выполненных Тихо Браге, выяснил истинную форму планетарных орбит в гелиоцентрической системе: ею оказался эллипс. 15 мая 1619 года увидел свет его труд "Гармония Мира", в котором он подробно излагает закон (третий закон Кеплера), получивший впоследствии (после доработки и обобщения Исааком Ньютоном) название "закон всемирного тяготения". Кеплер пишет: 'Если в каком - нибудь месте мира находятся два камня на близком расстоянии друг от друга и вне сферы действия какого бы ни было родственного им тела, то эти камни стремились бы соединиться друг с другом подобно двум магнитам'. Кеплер также заложил основы дифференциального, интегрального и вариационного исчислений, открыв тем самым дорогу новой весьма эффективной методологии познания мира, основанной на математическом анализе точных измерений. Благодаря Браге и Кеплеру точность астрономических расчетов в гелиоцентрической системе превзошла таковую в геоцентрической, поэтому надобность в последней просто отпала. Хрустальные сферы были заменены универсальной силой притяжения. Появление телескопов позволило установить, что звезд гораздо больше, чем видно невооруженным глазом. Еще в конце XVI века английский астроном Томас Диггс предложил отказаться от внешней границы - непроницаемой сферы неподвижных звезд. Галилей, одним из первых применивший телескоп для систематических астрономических наблюдений (и поплатившийся в итоге за это своим зрением), уже четко понимал, что звезды разбросаны в пустоте на разном удалении от Земли, и что они такие же светила, как Солнце. Допустив, что диаметры звезд равны диаметру Солнца, Галилей вычислил относительное расстояние до звезды первой величины. Он ошибся примерно на три порядка в меньшую сторону (из-за несовершенства своей оптики: звезды виделись в его телескоп как маленькие диски), но тем не менее вслед за Коперником раздвинул границы Вселенной, увеличив ее в сотню раз. И Кеплер, и Галилей считали, что Вселенная бесконечна. Между тем измерения с помощью более совершенных телескопов показывали все большую удаленность звезд. В 1673 г. Джованни Кассини и Жан Рише вычислили наконец расстояние от Земли до Солнца (астрономическую единицу). Оно оказалось равным примерно 140 млн. км. Христиан Гюйгенс вычислил расстояние до Сириуса - у него получилось 28 тыс. астрономических единиц. Похоже он, как и Галилей, боялся слишком больших расстояний, во всяком случае Гюйгенс тоже ошибся в меньшую сторону: на самом деле Сириус дальше раз в двадцать. В любом случае, к началу следующего (XVIII) века Вселенная представлялась ученым как гигантский идеально точный механизм, описание которого сводится к перемещению в пустоте материальных точек под действием силы притяжения. Чтобы объяснить тот факт, что звезды (считавшиеся тогда неподвижными) не сближаются под действием закона всемирного тяготения и не слипаются в кучу, Ньютону пришлось обратиться уже к физической модели бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звездами. Но эта модель была умозрительной и, в сущности, Ньютон лишь повторял мнение Кеплера. Математика тогда не умела оперировать с бесконечными множествами и бесконечная Вселенная могла рассматриваться только как парадокс. Заметим, что пространство и время в ньютоновской Вселенной не зависели от материи.

В начале XVIII века Эдмунд Галлей открыл собственное движение звезд. В конце того же века Генри Кавендиш с помощью крутильных весов измерил среднюю плотность Земли, которая оказалась в пять с половиной раз больше плотности воды (вот бы порадовался Клавдий Птолемей!). Картина мира, основанная на математическом анализе и вполне доступных человеческой логике физических законах, оставалась в этом веке незыблемой.

В XIX веке наука неожиданно ушла в отрыв от здравого смысла. Появились теории (Томас Юнг и др.), опять отвергающие существование пустоты, которая заменялась эфиром - всепроникающей средой, в которой распространяются волны. В 1820-х профессор Николай Лобачев